Лигнин: строение, свойства и применение¶

Лигнин — природный полимер ароматического строения, входящий в состав одревесневших клеточных стенок сосудистых растений. Наряду с целлюлозой и гемицеллюлозами он является одним из трёх главных компонентов растительной биомассы и вторым по распространённости органическим веществом на Земле после целлюлозы. Лигнин не имеет строго заданной молекулярной массы и представляет собой смесь близких по строению полимерных молекул, поэтому его относят к нерегулярным (аморфным) биополимерам.

¶Происхождение названия и история изучения

Термин происходит от латинских слов lignum («дерево») и lignum в сочетании с суффиксом, указывающим на вещество. Понятие ввёл в 1819 году швейцарский учёный Анри Браконно, выделивший из древесины нерастворимый остаток, который он назвал «лигнином». В 1838 году французский химик Ансельм Пайен описал это вещество более подробно и показал его отличие от целлюлозы. В 1857 году немецкий исследователь Ф. Шульце предложил термин для обозначения всей совокупности ароматических компонентов древесины. Строение лигнина было в основном расшифровано в 1920–1960-е годы благодаря работам Карла Фрейденберга, предложившего модель дегидрополимера, а также советских и финских химиков.

¶Химическое строение

Основу макромолекулы лигнина образуют фенилпропановые (пропановые) структурные единицы — так называемые фенилпропаноидные мономеры. В природе встречаются три основных типа мономеров:

Мономеры соединены между собой эфирными и углерод-углеродными связями, среди которых преобладают β-O-4-связи. Именно нерегулярность связей придаёт лигнину аморфность и устойчивость к разложению. В хвойной древесине преобладает гваяцильный лигнин, в лиственной — смешанный гваяцильно-сирингильный, в травянистых растениях — гваяцильно-п-гидроксифенильный.

¶Свойства

Лигнин — аморфное вещество от светло-кремового до тёмно-коричневого цвета, нерастворимое в воде и большинстве органических растворителей. Он оптически неактивен, термопластичен лишь в ограниченной степени, обладает высокой химической стойкостью. Плотность составляет около 1,3–1,4 г/см³. Лигнин устойчив к действию многих кислот и ферментов, но растворяется в щелочах и некоторых полярных растворителях при нагревании. При нагревании без доступа воздуха он разлагается с образованием фенолов, уксусной кислоты, метанола и других продуктов.

¶Биологическая роль

В растениях лигнин выполняет несколько функций:

• Механическая опора — придаёт клеточным стенкам жёсткость и прочность, позволяя растениям достигать значительной высоты.
• Проведение воды — гидрофобность лигнина обеспечивает водонепроницаемость сосудов ксилемы и предотвращает утечку воды.
• Защита — препятствует проникновению патогенов и вредителей, а также снижает доступность питательных веществ для микроорганизмов.
• Устойчивость к нагрузкам — повышает сопротивление стеблей изгибу и сжатию.

Лигнификация (одревеснение) клеточных стенок начинается после завершения роста клетки и происходит путём полимеризации монолигнолов под действием ферментов пероксидаз и лакказ.

¶Получение

В промышленности лигнин получают главным образом как побочный продукт при производстве целлюлозы. Основные источники:

• Сульфатный (крафт-) способ — даёт так называемый сульфатный лигнин, который сжигают для рекуперации тепла и реагентов.
• Сульфитный способ — образует лигносульфонаты, растворимые в воде и широко используемые как поверхностно-активные вещества.
• Гидролизное производство — даёт гидролизный лигнин, накапливающийся в больших количествах на гидролизных заводах.

Ежегодно в мире образуется порядка 50–70 млн тонн технических лигнинов, из которых утилизируется лишь небольшая часть.

¶Применение

Технические лигнины и их производные находят разнообразное применение:

• Энергетика — сжигание лигнина для получения пара и электроэнергии на целлюлозных заводах.
• Строительство — лигносульфонаты как пластификаторы бетонных смесей и разжижители.
• Нефтедобыча — реагенты для буровых растворов.
• Химическая промышленность — сырьё для получения ванилина, фенолов, активированного угля, сорбентов.
• Сельское хозяйство — компоненты удобрений, связующие для гранулированных кормов.
• Материалы — наполнители полимеров, источники углеродных волокон, компоненты клеёв и связующих.

Развивается направление по получению из лигнина биотоплива и ценных ароматических продуктов в рамках концепции биорефининга.

¶Экологические аспекты

Накопление лигниновых отходов создаёт экологическую нагрузку: гидролизный лигнин занимает большие площади, склонен к самовозгоранию и медленно разлагается. Разработка эффективных способов переработки лигнина в товарные продукты рассматривается как одно из ключевых направлений «зелёной» химии и переработки возобновляемого растительного сырья.

¶Значение в науке

Лигнин служит модельным объектом для изучения биосинтеза ароматических полимеров, а также используется в аналитической химии как индикатор степени одревеснения тканей. Методы его количественного определения (метод Класона, спектрофотометрия, титрование) стандартизированы в целлюлозно-бумажной отрасли.